Akademia Techniczno-Humanistyczna 18.04.2012
Wydział ZiI
Transport
sem. IV
Ćwiczenie nr56
Badanie wpływu temperatury na przewodnictwo elektryczne przewodników i półprzewodników.
Wykonali:
gr 2a -T5
s) Sylwia Mikołajek
w) Tomasz Pudalik
I. CHARAKTERYSTYKA UKŁADU POMIAROWEGO
Schemat układu pomiarowego przedstawia rys.1. W jego skład wchodzą:
Metalowa płyta z zamocowanymi z jednej jej strony badanymi elementami: przewodnikiem (drutem miedzianym) i półprzewodnikiem (termistorem typu NTC), a z drugiej jej strony przewodami dołaczonymi do tych elementów.
Mierniki oporu i temperatury.
Płyta z badanymi elementami zanurzona w kapieli olejowej wewnatrz ultratermostatu
wypełnionego woda (Rys.1).
Kapiel olejowa , która stanowi otoczenie badanych elementów, woda natomiast pełni rolę
grzewczego i stabilizujacego temperature kapieli olejowej oraz zanurzonych w niej elementów.
Grzałka wbudowana w ultratermostat oraz zewnetrzna grzałka pomocnicza
Rys.2. Schemat układu pomiarowego
Ω – omomierz do pomiaru oporu przewodnika,
kΩ –omomierz do pomiaru oporu półprzewodnika,
T – termometr elektryczny
II. PRZYGOTOWANIE I PRZEBIEG ĆWICZENIA:
1. Sprawdzic czy ultratermostat napełniony jest woda i w razie potrzeby napuscic wody do pełna.
2. Jesli płyta pomiarowa z badanymi elementami zanurzona jest w kapieli, właczyc grzałke
pomocnicza oraz grzałke ultratermostatu i odczytac wartosci oporów przewodnika R[W]
i półprzewodnika R[kW], gdy temperatura kapieli olejowej osiagnie wartosc t = 22oC. Wyniki
zanotowac w tabeli 1.
3. Odczytac wartosci oporu elektrycznego badanych elementów w temperaturze t = 25oC kapieli.
Kolejnych odczytów dokonywac, co około 5°C a do osiagniecia temperatury 80°C. Wszystkie
rezultaty zapisac w tabeli 1.
Grzałke ultratermostatu właczamy ustawiajac przełacznik główny w pozycji H4. W trakcie
pomiarów, gdy temperatura kapieli osiagnie wartosc t =50oC naley wyłaczyc grzałke pomocnicza.
Konczac pomiary przełacznik główny ustawiamy w pozycji H0.
III. OMÓWIENIE WYKONYWANYCH POMIARÓW
Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu temperatury na przewodnictwo elektryczne ciał stałych. Aby moc zbadać tę właściwość najpierw zapoznaliśmy się z pewnymi wzoram i prawami przedstawionymi niżej.
Jedną z wielkości charakteryzujących zdolność ciał stałych do przewodzenia prądu elektrycznego jest opór . Jest to wielkość , której miarą jest stosunek napięcia przyłożonego do końców przewodnika , do natężenia płynącego prądu (pierwsze prawo Ohma). Jednostką oporu elektrycznego jest (ohm). Przypuszczać można ,że opór jest stały (wzrost napięcia powoduje wzrost natężenia) , ale opór zmienia się przy równoczesnej zmianie temperatury. W zależności od rodzaju ciała stałego opór może rosnąć , maleć lub pozostawać nie zmieniony przy wzroście temperatury. Wielkością charakteryzującą zmiany temperaturowe oporu jest współczynnik temperaturowy oporu . Wyraża on względny przyrost oporu przy ogrzaniu przewodnika o .
Opór elektryczny przewodników w temperaturach dużo wyższych od temperatury Debye’a rośnie liniowo wraz ze wzrostem temperatury :
,
gdzie to przyrost temperatury
to opór przewodnika w temperaturze otoczenia.
Dla półprzewodników opór elektryczny maleje eksponencjalnie wraz ze wzrostem temperatury :
,
gdzie jest to szerokość pasma wzbronionego ,
jest stałą Boltzmana,
to stała oporności zależna od koncentracji nośników ładunku w stanie podstawowym i ich ruchliwości.
Jeżeli zlogarytmujemy obustronnie to równanie otrzymamy liniową zależność od odwrotności temperatury w skali bezwzględnej :
.
Wyznaczając prostą korelacji odkładając na a na będziemy mogli wyznaczyć szerokość pasma wzbronionego , który wyznaczyć można z wartości współczynnika kierunkowego tej prostej. Jego wartość jest bowiem równa , natomiast wyraz stały jest równy .
IV. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW:
Przewodnik |
Półprzewodnik |
---|---|
R1\R0 | |
ponieważ, dla przewodnika:
R=Rp0(1+αΔT), czyli α=a
1 J = 0,62415 · 1019 eV
Półprzewodnik:
Parametry prostej korelacji do zależności lnR2 = f(1/T)
ponieważ, dla półprzewodnika:
stąd wynika, że: b=lnRp0
lnRp0=b= -3,4521
Obliczenia dla wartości pasma wzbronionego półprzewodnika z zależności:
E=a ⋅ k
gdzie:
k - stała Boltzmana
a - współczynnik kierunkowy prostej lnR = f (1/T)
E= 3999,605 K ⋅ 8,617342⋅10-5 eV/K = 0,3575 eV
E=0,35 eV
ΔE=0,035 eV
VI. WYKRESY:
Wykres 1. Zależność liniową od odwrotności temperatury 1/T
Wykres 2. Funkcja regresji oporów w stosunku do przyrostu czasu.
Punkty oznaczają wyniki pomiarów.
Linia przedstawia funkcję regresji.
:
Wykres 3. Zależność malejąca oporu od temperatury.
Na wykresie można zaobserwować, że wraz opór maleje wraz ze wzrostem temperatury.
VII. WNIOSKI:
Dzięki temu doświadczeniu stwierdziliśmy , że opór zależy od temperatury. Im większa temperatura tym większy jest opór przewodników a w przypadku półprzewodników opór maleje wraz ze wzrostem temperatury.